相对论性重离子对撞机

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相对论性重离子对撞机的加速器管道

相对论性重离子对撞机（relativistic heavy ion collider，RHIC）是全球第一座重离子对撞机，也是唯一的一座自旋-极化质子对撞机。RHIC由美国布鲁克黑文国家实验室负责管理和运营，位于纽约州阿普顿市（英语：Upton）。它是美国唯一运行中的粒子对撞机（英语：Collider），也是目前全世界仅有的两座运行中的重离子对撞机之一，另一座是欧洲核子研究组织拥有的大型离子对撞机实验。[1][2][3]RHIC可将重离子加速至接近光速后发生碰撞，实验产生高温和高压。物理学者相信可以利用它研究宇宙在大爆炸发生不久后的物态，比如夸克-胶子等离子体。[4][5]

截至2019年，RHIC是世界第二高能量的重离子对撞机，仅次于欧洲核子研究组织的大型强子对撞机（LHC）。2010年11月7日，LHC在铅离子的对撞中观测到了更高的能量，并至今保持这一纪录。[6]但是，重离子对撞只是LHC的实验之一。LHC可用于重离子对撞的时间被限制在每年一个月左右。[7]

2010年，RHIC公布了早期实验的温度测量结果。在金离子对撞实验中，观测到了345 MeV的温度，相当于4万亿开尔文或7万亿华氏度。[8][9]这导致了我们所熟知物态的彻底解体，可能产生了类似液体的夸克-胶子等离子体。[10]

2020年1月，美国能源部科学办公室决定，在现有RHIC设施的基础上进行升级并建设电子离子对撞机（英语：Electron–ion_collider）（EIC）。这一升级将历时十年，并耗资16到26亿美元。[11]升级工程于2020年9月18日正式开工。[12]

加速器

RHIC拥有两个独立的储存环，分别标记为蓝环和黄环。重离子和/或极化的质子以相反的方向加速，可自由选择对撞几乎任何带正电荷的离子（未来的EIC升级将允许对撞正负离子），并将原子核绕着圆环加速到逼近光速[13]。RHIC的双储存环均呈六边形，周长为3834米，使用1740个铌-钛导体的超导磁铁对其中储存的粒子进行偏转和聚焦。这些二极磁铁（英语：Dipole magnet）的磁通量密度为3.45 T。[14]

重离子在电子束离子源加速器（EBIS）中产生，进入圆形辅助加速器（booster），经加速后进入交变梯度同步加速器（AGS），然后通过光束线将重离子注入RHIC的两个环。在RHIC中，重离子束受到无线电波的加速，并在环内运行一段时间，为对撞做准备。RHIC还可以进行偏振质子的对撞实验。偏振质子在线性加速器（英语：Linear particle accelerator）中产生，然后在辅助加速器、AGS和RHIC中进一步加速后对撞。STAR（英语：STAR detector）和PHENIX（英语：PHENIX detector）两个大型实验分别位于RHIC储存环的6点和8点位置。PHENIX实验目前正在进行升级，未来将成为sPHENIX。[15]

以金原子为例：中性金原子中共有79个电子。在离开离子源加速器EBIS时，每个金离子的动能为2 MeV，带有32个正电荷。在圆形辅助加速器中，每个金离子被加速到100 MeV的动能，并进一步被剥离43个电子。带有77个正电荷的金离子被注入到AGS中。它们最终达到8.86 GeV的动能，且外层电子被全数剥离。这时，金原子核可以通过转移线（AtR）注入到RHIC存储环中，可以开始对撞。

RHIC已探索过的对撞粒子组合包括、、、、、、、、、和。对撞粒子的速度通常为光速的99.995%。对于，对撞时质心能量通常是每对核7.7 GeV到200 GeV之间。

RHIC平均亮度（单位截面碰撞的频率）的设计目标是2×1026 cm-2s-1。目前对撞的平均亮度已达到87×1026 cm-2s-1，是设计值的44倍。[16] 通过随机冷却（英语：Stochastic cooling）可大幅提高重离子对撞的亮度。[17]

RHIC的独特之处在于它能够对撞极化质子。目前RHIC保持着能量最高的极化质子束记录。极化质子被注入RHIC，并在加速过程中保持一直极化。这项任务借助于被戏称为“西伯利亚蛇”的4个螺旋二极磁铁来完成。[18] 2009年2月12日，RHIC的第九次运行（Run-9）实现了500 GeV的质心能量。[19] 在第十三次运行中，对撞的平均亮度达到了160×1030 cm-2s-1，时间和强度平均偏振率为52%。[16]

25千瓦氦冷却系统将超导磁铁的温度维持在4.5K

部分实验结果

最初，RHIC的理论物理学者急于宣布他们的实验发现了夸克-胶子等离子体（如：Gyulassy & McLarren[20]）。但是实验物理学者较为谨慎，称仍需进一步确认。[21] 很多物理学者猜测，夸克-胶子等离子体是一种只参与弱相互作用的等离子体。目前的结果表明，RHIC实验产生的物质是一种粘度接近量子理论极限的流体，但与猜测的等离子体不同。

RHIC Experimental Evaluations 2004 （页面存档备份，存于互联网档案馆）对RHIC头三年收集的数据进行了综述，以评估当前数据是否发现了新物态。[22][23][24][25]

2010年2月16日，发表在物理评论快报上的一篇论文称，RHIC发现了对称性转换的可能征兆。观测结果表明，离子在RHIC中对撞后形成的气泡可能违反了宇称对称性，而宇称对称性通常是夸克和胶子之间色荷相互作用的特征之一。[26][27]

对高能物理实验的批评

RHIC运行之前，有批评者认为其极高的能量可能会产生灾难性的后果，比如创造出黑洞、过渡到不同的量子力学真空态 (参见假真空)，或创造出比普通物质更稳定的奇异物质。[28]这些假说千奇百怪。许多人预测地球将由于RHIC的实验在几秒钟到几千年的时间内毁灭。然而，太阳系的天体（如月球）被能量明显高于RHIC和其它人造对撞机的高能粒子轰击了几十亿年，却没有造成任何伤害。这证明这些假说缺乏根据。[29]

另一个争议问题是批评者要求物理学者证明这种灾难性结果的发生概率为零。但物理学家无法证明这一点。关于RHIC粒子加速器可能引发的灾难，媒体上多有讨论。[30][31][32]有人说，RHIC引发末日情景的风险至少有五千万分之一的可能性。[33]关于RHIC可能产生奇异夸克团，牛津大学物理学教授弗兰克·克洛斯表示，“这种情况发生的概率就像你连续3周中彩票的大奖一样。但问题是人们相信连续3周中彩票是可能的”。[31]经过详细的研究，科学家们认为，第一，RHIC的重离子实验不会危及地球；[34]第二，存在有力的经验证据说明RHIC不可能产生危险的奇异夸克团。[29]

这场争论以布鲁克黑文国家实验室委员会发布最终报告收场。该报告排除了RHIC引发灾难的可能性。 [29] 但该报告承认，高速宇宙射线撞击产物在穿越地球时与“静止”的RHIC产物相比，可能有不同的表现。另外，报告也同意高能质子与地球或月球的碰撞与RHIC的金离子对撞可能存在本质上的不同。随后反对者试图在旧金山和纽约发起联邦诉讼来阻止RHIC的实验但没有成功，两起诉讼分别被驳回。[35]但法庭表示，如果事件有进一步发展，允许原告重新提告。[36]

财务信息

RHIC项目由美国能源部、科学办公室、核物理学办公室资助。2003年，其项目预算为6.166亿美元。[1] 2006财政年度的业务预算比前一年减少了1610万美元，达到1.155亿美元。该年度运营成本的一个部分（1,300万美元）来自于私人赞助，据信该资金来源和华尔街对冲基金文艺复兴科技公司有密切关系。[37][38]

2012年底，美国核科学咨询委员会（NSAC）向能源部科学办公室和国家科学基金会提出建议，如果未来四年的核科学预算继续没有增长，如何实施2007年制定的核科学长期计划。国家科学咨询委员会倾向于关闭RHIC，[39]而不是取消稀有同位素束设施（FRIB）的建设。[40]

2015年10月，预算状况有所改善，RHIC在下一个十年中可以继续运作。[41]

小说中的RHIC

  • 美国作家本福德（英语：Gregory Benford）的科幻小说《宇宙》（Cosm，ISBN 0-380-79052-1）发生在RHIC。该小说主人公Alicia Butterworth是一名物理学家。她在RHIC用铀离子对撞时，意外创造了一个新的宇宙。[42]
  • 美国作家基恩的小说僵尸崛起（英语：The Rising (Keene novel)）中，RHIC对撞实验的副作用是该小说及其续集《死人城》（City of the Dead）中僵尸起义的直接原因。
  • 在美国作家古登（英语：Othello Gooden Jr）的《雷洛利亚的记忆》（Rayloria's Memory）系列小说第一部《雷洛利亚的黎明》（Raylorian Dawn，ISBN 1466328681）的开头说，每个月球城及其空间站都由RHIC提供动力。

参见

来源

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延伸阅读

外部链接

坐标：40°53′2″N 72°52′33″W / 40.88389°N 72.87583°W / 40.88389; -72.87583

科学办公室（英语：Office of Science）下属
美国能源部印章
国家核安全局（英语：National Nuclear Security Administration）（NNSA）下属
其他美国能源部下属实验室
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